波导光瞳中继的制作方法

光瞳中继系统被用于在光学系统中将光瞳从一个位置空间平移到另一个位置。尽管光瞳中继系统可以在光学设计软件中用理想的轴旁透镜建模，但实际的光瞳中继系统(诸如Offner型中继)要校正系统中的像差并确保系统的性能不会随光瞳中继的性能而退化往往非常复杂。由于其相对大的尺寸和重量，传统光瞳中继的设计使得它们不适合用于头戴式显示器(HMD)系统和其他近眼显示系统。此外，这些光学系统的公差通常太敏感，而无法允许以经济有效的方式批量生产任何所包含的光瞳中继。

概述

本文介绍的是用于在光学系统中将光瞳从一个位置空间平移到另一个位置的至少一种装置和至少一种方法(统称和单独地称为“本文介绍的技术”或简称“本技术”)。本技术使光瞳中继能够以符合成本效益的方式批量生产，同时符合极其严格的公差。

在一些实施例中，本技术包括光波导，所述光波导包括透光基板，所述透光基板包括多个内反射表面，以使多种不同颜色的光线能够通过全内反射传播通过所述基板。光波导可进一步包括输入表面，用于通过所述光波导的入射光瞳输入所述多种不同颜色的光线，以及输出表面，用于通过所述光波导的出射光瞳从基板输出所述多种不同颜色的光线。所述光波导可具有如下光学属性：所述光学属性使得所述入射光瞳和所述出射光瞳具有基本相同的尺寸和形状，并且使得所述输入光线和所述输出光线具有基本相同的色彩属性。

在某些实施例中，本技术可被实现在诸如HMD设备之类的近眼显示设备中。在某些实施例中，本技术可结合用于增加诸如HMD设备之类的显示设备中所显示图像的视野(FOV)的技术来实现。

根据附图和详细描述，该技术的其它方面将显而易见。

提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。

附图简述

在附图中的各图中作为示例而非限制解说了本公开的一个或多个实施例，其中相同的标记指示相似的元素。

图1示出了可结合本文中所介绍的技术的HMD设备的示例。

图2A示出了可被包含在图1的HMD设备内的显示器组件的右侧视图。

图2B示出了可被包含在图1的HMD设备内的显示器组件的正视图。

图3示出了用来向用户的特定眼睛传送光的单输入光瞳波导。

图4示出了用来向用户的特定眼睛传送光的多输入光瞳波导。

图5示意性地示出了用于用户的一只眼睛的显示模块的相关组件的示例，其能够结合图4中的多输入光瞳波导使用。

图6示意性地示出了针对使用包含多个成像器的光引擎的一实施例的用于用户的一只眼睛的显示模块的相关组件的示例，其能够结合图4中的多输入光瞳波导使用。

图7示意性地示出了图6的光引擎的相关组件的示例。

图8解说在HMD设备中的波导上使用多个输入光瞳的方法的示例。

图9A解说了具有切面端的波导光瞳中继。

图9B解说了图9A的波导光瞳中继的输入端的放大视图。

图9C解说了图9A的波导光瞳中继的输出端的放大视图。

图10解说了根据第一实施例的包括衍射光学元件(DOE)的波导光瞳中继。

图11解说了根据第二实施例的包括DOE的波导光瞳中继。

图12解说了根据第一实施例的包括被放置在沿波导的长度的中间以耦合输出光的DOE的波导光瞳中继。

图13解说了根据第二实施例的包括被放置在沿波导的长度的中间以耦合输出光的DOE的波导光瞳中继。

详细描述

在该描述中，对“一实施例”、“一个实施例”等的引用意味着描述的特定特征、功能、结构或特性被包括在本文中引入的技术的至少一个实施例中。这样的短语在本说明书中的出现不一定全部涉及同一实施例。另一方面，所涉及的各实施例也不一定是相互排斥的。

为了便于描述，下面的描述通常假定显示设备的“用户”是人类。然而，需要注意，体现此处所介绍的技术的显示设备可潜在地由非人类的用户(诸如机器或动物)使用。因此，本文中的术语“用户”可指代这些可能性中的任一种，除非可能另有说明或者根据上下文显而易见。此外，术语“光学接收器(optical receptor)”在本文中用作通用术语来指代人眼、动物眼睛或被设计为以与人眼类似的方式检测图像的机器实现的光学传感器。

一些具备人工现实(AR)的HMD设备包括一个或多个透明波导，该一个或多个透明波导被布置成使得它们在该HMD设备由用户穿戴时被定位在直接位于用户的每只眼睛的前方，以将表示所生成的图像的光投射到用户的眼睛中。利用这样的配置，由HMD设备生成的图像可覆盖在用户的现实世界视野上。然而，这样的HMD显示设备的FOV可能受限于被用来制造波导的材料的折射率。该约束可通过为用户的每只眼睛在波导上提供两个或更多个输入光瞳/输入耦合元件而得到减轻，这使得显著地更大的FOV能够利用当前可获得的材料和制造技术来实现。

一种适合在波导上使用两个或更多个输入耦合元件/光瞳(每只眼睛)的方式将是针对每只眼睛使用两个或更多个对应的光引擎。光引擎是包括一个或多个光源(例如，红色、绿色和蓝色光源)、一个或多个微显示成像器和相关联的光学器件的组件套件。然而，针对每只眼睛使用多个光引擎显著地增加了重量、价格和大小，这在诸如HMD设备之类的占地面积小的设备中是不合需的。附加地，多个光引擎之间的机械对准是具有挑战性的，因为公差倾向于处于角秒的量级以便提供足够的图像质量。因此，在现有技术的情况下，在波导上使用两个光引擎可能是不合需的。

然而，此处所介绍的技术在一些实施例中通过以下来克服这个挑战：在光引擎中提供可开关元件以将图像的方向切换到至少两条不同的光学路径，以及提供光瞳中继光学器件以将光瞳转移到另一位置。中继光学器件可被放置在开关元件之后，以将图像更远地转移离开光引擎，从而实现输入耦合元件之间的更大的距离。因此，该技术使得单个光引擎能够为图像提供到波导上的两个分开的输入端口的两个光瞳而不显著地增加系统的成本和大小，由此极大地增加当前材料和制造技术情况下的FOV。

解决该问题的另一办法是在相同光引擎中组合两个或更多个微显示成像器。相同的照明和成像光学器件可被用来产生两个交叠的图像，这两个交叠的图像可使用例如偏振镜来分离。如以上所提到的办法那样，光瞳中继光学器件可被用来将任何一个或多个光瞳更远地转移离开光引擎，以使波导上的输入端口能够相对远离彼此定位。以下提供关于此处所介绍的技术的附加细节。

图1示出了其中可结合此处所介绍的技术的HMD设备的示例。HMD设备40可为用户(即，设备的穿戴者)提供虚拟现实(VR)和/或增强现实(AR)显示模式。为了便于描述，此后假定HMD设备40被设计成用于AR可视化。

在所例示的实施例中，HMD设备40包括底座41、安装到底座41的透明保护护目镜42，以及安装到底座41的左和右侧臂44。护目镜42形成用于下面讨论的各种显示元件(未示出)的保护外壳。

底座41是用于护目镜42和侧臂44，以及与本描述没有密切关系的各种传感器和其它组件(未示出)的安装结构。可为AR可视化生成图像的显示套件(未示出)也被安装到底座41并且被封闭在保护护目镜42内。护目镜套件42和/或底座41还可容纳电子器件(未示出)以控制显示套件的功能性和HMD设备40的其它功能。HMD设备40进一步包括附连到底座41的可调整头带45，HMD设备40可通过该头带而被穿戴在用户的头部上。

根据某些实施例，图2A和2B分别示出了可被包含在HMD设备40的护目镜42内的显示组件的右侧视图和正面正交视图。在HMD设备40的操作期间，显示组件相对于用户的左眼56L和右眼56R被如图中所示地定位。显示组件被安装到底座41的内表面。底座41在图2A中以横截面示出。

显示组件被设计成例如通过将光投射到用户眼睛中而将三维图像覆盖在用户对其现实世界环境的视图上。相应地，显示组件包括显示模块54，该显示模块54容纳包括诸如以下组件的光引擎：一个或多个光源(例如，一个或多个发光二极管(LED))；诸如硅上液晶(LCOS)、液晶显示器(LCD)、数字微镜设备(DMD)之类的一个或多个微显示成像器；以及一个或多个透镜、分束器和/或波导。显示模块54内的微显示成像器(未示出)可经由柔性电路连接器55而被连接到印刷电路板58，该印刷电路板58具有安装在其上的图像生成/控制电子器件(未示出)。

显示组件进一步包括显示模块54安装到其上的透明波导载体51，以及堆叠在波导载体51的用户侧上的多个透明波导52，以用于用户的左眼和右眼中的每一只。波导载体51具有中央鼻梁部分110，波导载体51的左和右波导安装表面从该中央鼻梁部分延伸。多个波导52堆叠在波导载体51的左和右波导安装表面中的每一者上，以将从显示模块发射的且表示图像的光分别投射到用户的左眼56L和右眼56R中。显示套件57通过位于中央鼻梁区段110上的波导载体51的顶部处的中心轴头(center tab)50而被安装到底座41。

图3示出了针对可被安装在波导载体51上以将光传送给用户的特定眼睛(在该示例中是用户的右眼)的波导的单输入光瞳设计。可为左眼设计类似的波导，例如设计为图3所示的波导的(水平)镜像。波导10是透明的，并且如可从图2A和2B看出的，将通常在HMD设备的操作期间被直接放置在用户的右眼前方，例如作为图2A中的波导52之一。因此，从HMD设备40的操作期间的用户的角度来示出波导10。

波导10包括位于波导10的当HMD设备40由用户穿戴时最接近用户的鼻梁的区域中的单输入端口11(也称为输入耦合元件，并且对应于单个输入光瞳)。输入端口11可以由例如表面衍射光栅、体衍射光栅或反射组件形成。波导10进一步包括单输出端口13(也称为输出耦合元件)和传输通道12。显示模块(未示出)的右眼输出端口被光学地耦合(但不必物理地耦合)到波导10的输入端口11。在操作期间，显示模块54(未示出)从其右眼输出端口将表示用于右眼的图像的光输出到波导10的输入端口11中。

传输通道12将光从输入端口11传送到输出端口13，并且可以是例如表面衍射光栅、体衍射光栅或反射组件。传输通道12可被设计为通过使用全内反射(TIR)来实现这一点。表示用于右眼的图像的光被接着从输出端口13投射到用户的眼睛。

然而，如以上所提到的，图3所示的单输入端口设计具有相对有限的FOV。因此，图4示出了用于波导的双输入光瞳设计，其可取代图3中的波导而被使用以提供更大的FOV。需要注意，尽管本公开描述了带有一个或两个输入端口/光瞳和单输出端口/光瞳的波导，但是结合了此处所介绍的技术的显示设备可具有带有针对给定眼睛的多于两个输入端口/光瞳和/或多于一个输出端口/光瞳的波导。进一步，尽管图4的示例是针对右眼的，但是可以为左眼设计类似的波导，例如设计为图4中的波导的(水平)镜像。

如图所示，图4中的波导20包括两个分开的输入端口21和22、两个传输通道23和24，以及输出端口25。在操作期间，输入端口21、22中的每一个(从显示模块54)接收表示用于用户右眼的图像的不同部分的光。传输通道23、24中的每一者被光学地耦合到输入端口21或22中的单独一个输入端口，并且仅将来自对应输入端口21或22的光传送到输出端口25。传输通道23、24中的每一者可以是例如被设计为通过TIR输送光的内部或表面衍射光栅。来自图像的两个不同部分的光在输出端口25处被组合且作为单个经整合图像被投射到用户的眼睛中。

在一些实施例中，左输入端口21接收用于用户的一只眼睛(例如，右眼)的图像的左部分(例如，左半部分)，而右输入端口22接收用于该相同眼睛的图像的右部分(例如，右半部分)。图像的每个部分可包括存在于完整图像中的所有色彩分量，例如红色、绿色和蓝色分量。图像的各部分可按平铺的方式生成，即其中它们在空间上毗连且不交叠，或者它们可至少部分地在空间上交叠。此外，在其它实施例中，替代生成图像的左部分和右部分，图像的分开的部分可以是图像的上部和下部，或者图像可按某种其它方式在空间上被划分。附加地，波导20可具有多于两个输入端口，在该情形中，图像可以按三个或更多个分开的图像部分的形式被提供给波导20，这些分开的图像部分在波导20中被重新整合。

因此，在至少一些实施例中，用于用户的给定眼睛的图像的不同部分被生成并同时输入到波导的分开的输入端口中，接着在波导内被重新整合且作为单个经整合图像被投射到用户的眼睛中，以产生更大的FOV。在其它实施例中，图像的分开的部分可按时分复用方式来被输入到波导，而不是同时输入到波导。此外，在一些实施例中，波导上的输入端口的物理位置可以不同于图4中所示的位置。例如，输入端口可以在波导上垂直地间隔开，作为在波导上水平地间隔开的替换或补充。其它输入端口配置也是可能的。

如以上所提到的，采用诸如图4所示的双输入光瞳波导的一种可能方式将是使用多个光引擎，即对于每个输入光瞳使用一个光引擎。然而，该办法具有缺点，如以上所讨论。图5解说了不具有多个光引擎的缺点的替代办法。具体而言，图5示意性地示出了用于用户的一只眼睛(左眼或右眼)的显示模块54的某些相关组件的示例，其可结合诸如图4中所示的双输入光瞳波导来使用。图5中的视图是从显示模块54的正上方向下看的。

在图5的示例中，显示模块54包括光引擎31、光学开关32和光瞳中继33。尽管未示出，但是显示模块54还可包括用于用户的另一只眼睛的类似或完全相同的组件。在一些实施例中，光引擎31包括一个或多个光源(未示出)，诸如一个或多个有色LED。例如，光引擎31可包括红色、绿色和蓝色LED以分别产生图像的红色、绿色和蓝色分量。附加地，光引擎31包括至少一个微显示成像器(未示出)，诸如LCOS成像器、LCD或DMD；并且可进一步包括一个或多个透镜、分束器、波导和/或其它光学组件(未示出)。

光学开关32将由光引擎31输出的表示图像的每个特定部分的光的传播方向控制为两条不同的光学路径中的一条光学路径。在所解说的实施例中，第一路径用于图像的左半部分并且通向显示模块54的输出端口34，该输出端口34被耦合到波导20的一个对应的输入端口21。另一光学路径用于图像的右部分且包括光瞳中继33，该光瞳中继33将图像的该部分传播到显示模块54的第二输出端口36，该第二输出端口36被光学地耦合到波导20的第二对应的输入端口22。

光学开关32基于诸如偏振之类的切换准则来选择性地控制来自光引擎31的光的传播方向。例如，图像的一半可具有s偏振，而图像的另一半具有p偏振，其中光学开关32沿着一条光学路径传送s偏振的光且沿着另一条光学路径传送p偏振的光。取决于所施加的电压，开关32可以是例如透射光或充当完美反射镜的LCD镜。然而，需要注意，可以使用除偏振之外的切换准则(或多个准则)。例如，时分复用可被用来在光学路径之间切换。

光瞳中继33是可选的，但是能够在波导20上的输入端口21、22之间实现更大的距离。光瞳中继33可使用用于将图像光瞳从一个位置转移到另一位置的任何已知或便利的方法和材料来构造。例如，光瞳中继33可由轴旁透镜的序列、接着是反射镜来构造，该轴旁透镜将光瞳聚焦到中间图像并接着对其进行准直，该反射镜用来将光重定向到波导的对应的输入端口中。因此，该办法使得单个光引擎能够将用于图像的两个光瞳提供给波导上的两个分开的输入耦合元件，而不显著地增加系统的成本和大小，由此极大地增加当前材料和制造技术情况下的FOV。

图6和图7解说了在波导上使用多个输入光瞳的另一实施例，其中两个(或更多个)微显示成像器被组合在同一光引擎中。具体而言，图6示意性地示出了用于这样的实施例的显示模块54的某些相关组件的示例。图6中的视图是从显示模块54的正上方向下看的。

如图所示，相同的照明和成像光学器件可被用来产生图像的两个交叠的部分，这两个交叠的部分可使用例如偏振分束器(PBS)来分离。图像的左部分和右部分在光引擎61内分别被初始地分离成p偏振的光和s偏振的光。接着，附加光学器件将图像的这两个部分路由到显示模块54的适当输出端口34或36，输出端口34和36分别被光学地耦合到波导20的对应的输入端口21和22。具体而言，与四分之一波片(延迟器(retarder))63和偏振镜64组合的PBS 62致使图像的初始为s偏振的右部分被转换为p偏振的光，该p偏振的光被引导到显示模块54的右输出端口36并且从那里被引导进波导20的右输入端口22中。而且，与棱镜65组合的PBS 62致使图像的初始为p偏振的左部分被引导到显示模块54的左输出端口34，并且从那里被引导进波导20的左输入端口21中。如以上所描述的办法那样，光瞳中继光学器件可选地可被用来将任何一个或多个光瞳更远地转移离开光引擎61，以使波导20上的输入端口21、22能够相对远离彼此定位(例如，如图4和5所示)。

图7根据某些实施例示意性地示出了图6的光引擎61的某些相关组件的示例。图7中的视图是从显示模块54的右侧看的。需要注意，一些实施例可包括未示出的其它有源和/或无源组件。所解说的实施例中的光引擎61包括至少一个光源71，诸如彩色LED。虽然在图7中仅示出了一个光源71，但实际上可存在为用户的每只眼睛提供的多个光源，例如，针对正被采用的无论哪个色彩模型的每个色彩分量(例如，红色、绿色和蓝色)提供一个光源。可以使用与图7所示相同或类似的配置来组合来自此类多个光源的光。

光引擎61进一步包括多个成像器(例如，LCOS微显示器)72A和72B，其生成旨在向用户的特定眼睛显示的图像的分开的部分。两个成像器72A、72B在大小、功能性等方面可以是完全相同的。延迟器(例如，四分之一波片)可在波导输入之一处被放置在波导之前，以具有进入波导的最佳偏振。

附加地，光引擎61包括PBS 74、75、一个或多个反射透镜76以及一个或多个四分之一波片77的组合，该组合生成图像的分开的部分并将它们同时传播通过光引擎61的输出端口78。更具体而言，第一PBS 74将来自光源71的s偏振的光向上反射到生成图像的一个部分的第一微显示成像器72A。PBS 74还致使来自光源71的p偏振的光笔直传播到生成图像的第二部分的另一微显示成像器72B。图像的这两个部分(分别构成s偏振的光和p偏振的光)接着向下传播通过PBS 74到达第二PBS 75，该第二PBS 75经由四分之一波片(延迟器)77将它们引导到鸟盆形反射透镜76。各图像部分接着被反射透镜76反射回通过四分之一波片77，并接着通过PBS 75。各图像部分从那里通过光引擎61的输出端口78输出且被提供给显示模块54中的附加光学器件，如图6中的示例所示。

图8解说在HMD设备中的波导上使用多个输入光瞳的方法的示例。该方法开始于步骤801，步骤801单独地生成要传送到HMD设备的用户的眼睛的图像的多个不同部分。接下来，在步骤802处，表示图像的每个部分的光被耦合到波导的多个光学输入端口中的单独的一个光学输入端口。在步骤803处，表示图像的多个部分的光在波导内被组合以形成表示经整合图像的光。在步骤804处，表示经整合图像的光随后被从波导输出到用户的眼睛。

在上文描述的某些实施例中，光瞳中继(例如，图5中的光瞳中继33)用于在空间上将光瞳从一个位置转移到另一个位置。在HMD设备和/或其它类型的产品或应用中，光瞳中继也被期望用于其它目的。然而，传统的光瞳中继系统(诸如Offner型中继)要校正系统中的像差并确保系统的性能不会随光瞳中继的性能而退化往往非常复杂。由于其相对大的尺寸和重量，传统光瞳中继的设计使得它们不适合用于头戴式显示器(HMD)系统和其他近眼显示系统，并且这些光学系统的公差通常太敏感，而无法允许以经济有效的方式批量生产任何所包含的光瞳中继。为了实现低成本、对公差不敏感的光瞳中继，对于消费电子产品而言在光学系统中需要多个光瞳或单个空间平移的光瞳将是有用的。

因此，本文介绍了一种克服上述问题、并且适用于HMD设备或其它类型的近眼显示设备或系统的光瞳中继。光瞳中继可以是具有光学属性的波导，该光学属性使得波导的入射光瞳和出射光瞳具有基本相同的尺寸和形状，并且使得输入到光瞳中继的多色光线通过TIR共线地传播通过光瞳中继，使得相应的输出光线具有与输入光线基本相同的色彩属性；换言之，光瞳中继是无色的。在此上下文中，“基本相同”意味着这些属性对于人类用户而言没有可感知的差异。在以下描述中介绍的波导光瞳中继可以用在HMD设备或其它类型的近眼显示设备中(例如作为图5中的光瞳中继33)和/或用于本文所述的其他目的。

传统上，波导一直被用于在特定距离上扩展光瞳，但不在没有修改的情况下在空间上平移光瞳。此外，波导通常要求将其参数调谐到特定角度和波长。另外，波导传统上仅用作单色的光瞳扩展器，而不是用于扩展(或在空间上平移)多色光瞳。

传统上，在诸如光瞳扩展器之类的基于波导的光学元件中，不同颜色的光线在基板内以不同的角度传播。然而，诸如此处介绍的波导光瞳中继器使得不同颜色的光线能够共线地传播通过光瞳中继，即光瞳中继是无色的。与将光瞳聚焦到中间图像板然后重新准直光的传统光学器件不同，诸如本文介绍的波导光瞳中继可以通过TIR将光传播通过其长度，从而在波导的输出处产生与在输入处相同的光瞳特性。可以根据当前的制造技术通过使用注射成型来构造波导以例如产生对光瞳进行非染色中继的切面波导。

在某些实施例中(其示例在图9A中示出)，波导光瞳中继130包括切面(楔形)输入和输出耦合器131和132，用于校正由于折射引起的色彩移位。具体来说，通过在光瞳中继130的输入端和输出端两者处纳入薄的三角形棱镜(“楔形”)耦合器131、132，波导光瞳中继130校正不同颜色(例如，红色和绿色)的不同折射角。多色光145通过输入光瞳138在波导光瞳中继130的输入端处接收，并且经由出射光瞳139在输出端输出。出射光瞳139具有与入射光瞳138相同的尺寸、形状和色彩属性。注意，虽然示出了仅两种颜色的光线，但是可以按类似的方式应用相同的原理来通过波导光瞳中继传播三种或更多种颜色。由于蓝色对于人类在FOV的外围几乎是不可见的，因此这种非常低成本的光瞳中继可以用于例如HMD中的双色(例如，红色-绿色)外围视觉系统和/或其它不需要非常高质量成像的应用。在其它应用中，本文介绍的原理用于产生在空间上用三种或更多种颜色(例如，RGB颜色模型中的红色、绿色和蓝色)和/或在需要高质量成像的应用中平移光瞳的光瞳中继。

在所示实施例中，波导130包括基板133，基板133具有顶表面134和底表面135，顶表面134和底表面135彼此平行并且内部反射以便提供在基板133内传播的光线的TIR。如图9A所示并且在图9B和9C中进一步示出的，基板133在其输入和输出端处还具有倾斜的光透射表面136和137，该输入和输出端彼此平行但是既不平行也不垂直于顶表面134和底表面135。也就是说，光透射表面136和137相对于基板133的顶表面134和底表面135以倾斜角度定向。

除了基板133之外，波导还包括输入楔形耦合器131(图9B)，其具有物理地和光学地耦合到基板133的第一光透射表面136的表面，并且包括输出楔形耦合器132，其具有物理地和光学地耦合到基板133的第二光透射表面137的表面。基板133和楔形耦合器131和132均可以由刚性的透光材料制成，例如各种类型的光学级玻璃或塑料中的任何一种。在某些实施例中，基板133是单件这样的材料。然而，在一些实施例中，楔形耦合器131和132可以由与基板133不同的材料(例如，一个可以是冠状玻璃而另一个是燧石玻璃)形成以促进光的共线传播，即，通过利用它们在应用斯涅尔定律时的不同折射率。

输入楔形耦合器131具有作为波导130的总体输入表面的外表面141，并且具有与输入表面141相对的另一表面，该表面物理地且光学地耦合到基板133的第一光透射表面136。输出楔形耦合器132具有作为波导130的总体输出表面的外表面142，并且具有与输出表面142相对的另一表面，该表面物理地且光学地耦合到基板133的第二光透射表面137。输入楔131和输出楔132的外表面(即，波导光瞳中继130的输入表面141和输出表面142)各自相对于基板133的顶部和底部表面134、135以及相对于基板133的第一和第二光透射表面136、137以倾斜角度定向，如图9B和9C中进一步所示出的。在至少一些实施例中，输入楔形耦合器131和输出楔形耦合器132在尺寸、形状和材料方面彼此相同，但在与光瞳中继130的其余部分整合时在垂直轴上具有相反的取向。在其它实施例中，输入楔形耦合器131和输出楔形耦合器132在尺寸、形状和/或材料上可以彼此不相同。

楔形耦合器131和132可用于通过减少折射到系统中的多波长光的色散/角度分离来对光传播进行无色校正。楔形耦合器的内角Φ1、Φ2和Φ3根据要传播通过光瞳中继130的波长来选择，因而色散可以通过适当选择的材料基于它们的色散(Abbe)数和部分色散率而被补偿。

参照图9B，包含多种颜色的光线(其中不同类型的虚线各自表示图中的不同颜色)最初撞击光瞳中继130的输入表面141。利用期望的内部传播角度(两种颜色共线)，通过在设计阶段应用斯涅耳定律，可以独立地合适地选择输入楔形耦合器131和基板133的折射率，并且可以选择楔形耦合器131的每个面的倾斜角度，以分离输入楔形耦合器131中的两种(或更多种)颜色，随后将它们共线地重新组合到基板133中。例如，多色输入光145中的两种(或更多种)不同颜色(例如，红色和绿色)的光线151和152在输入表面141处以不同的角度折射到楔形耦合器131中。换言之，一种颜色的光线151以一个角度透射到输入楔形耦合器131中，而另一种颜色的光线152以不同的角度透射到楔形耦合器131中。然而，楔形耦合器131可以构造成具有特定的角度和/或材料，使得当光线151和152撞击楔形耦合器的相对表面(即表面136处形成的内部界面)时，它们再次被不同地折射，这是因为光线151和152共线地透射到基板133中，并且随后通过TIR共线地传播通过基板133。

类似地，现在参见图9C，在波导光瞳中继130的输出端，共线地传播通过基板133的不同颜色的光线151和152撞击通过将表面137处的基板接合到楔形耦合器132的输出而形成的内部界面。在那里，光线151和152以不同的角度折射到输出楔形耦合器132中，使得它们不再共线地传播。然而，输出楔形耦合器132的角度和/或材料被选择成使得在输出表面142处离开输出楔形耦合器132时，不同颜色的光线151和152重新组合并共线地传播。因此，出射光瞳139具有与入射光瞳138相同的尺寸和色彩属性。

在一些实施例中，作为使用切面端的替换(或补充)，波导光瞳中继可以包括一个或多个DOE以及高折射率材料，以共线地传播来自不同衍射模式的颜色。这类实施例的示例显示在图10和11中。与上述实施例一样，这些实施例也在空间上平移光瞳，使得入射光瞳和出射光瞳具有基本相同的尺寸、形状和色彩属性。

在图10中，代替切面端，波导光瞳中继150包括两个高纵横比表面浮雕衍射光栅154和156作为DOE(一个在输入端上，一个在输出端上)，形成为光瞳中继150的基板的给定表面157(即，与光线在基板内的传播方向平行的表面，在图10中被示为光瞳中继150的顶表面)的一部分或接近该给定表面157。在本说明书中，“接近”意味着距离表面不超过一微米深。可能希望使每个DOE的深度与其周期相比相对较大。DOE 154和156被设计成使得不同颜色的光线共线地传播通过光瞳中继基板并且分别在离开光瞳中继150时继续共线地传播。如果光瞳中继150通过注射成型工艺形成，则DOE 154和156可以作为注射成型工艺的一部分形成或在其之后形成。例如，在各种实施例中，DOE 154和152可以在注射成型工艺期间或之后冲压到光瞳中继150的表面中。

图11示出了通过使用衍射光栅将多种颜色组合到单个波导的另一种方法。在图11中，光瞳中继160包括形成在基板的两个相对表面中或附近的至少四个衍射光栅161至164，这两个相对表面平行于基板内的光线传播方向(在图11中被示为光瞳中继160的顶表面和底表面)。在光瞳中继的一个表面(例如，顶表面)上的衍射光栅161和162耦合第一颜色，而在光瞳中继的相对表面(例如，底表面)上的衍射光栅163和164耦合第二颜色。这可以使用例如仅对一种偏振(颜色具有正交偏振)起作用的衍射光栅或使用可切换衍射光栅以便能够为每个衍射光栅选择耦合的颜色来实现。如上文提到的，可以应用相同的原理以允许三种或更多种颜色的共线传播通过图10和11的实施例中的光瞳中继。

在图10和11的实施例中，DOE 151、152、161-164中的每一个可以是光瞳中继的基板表面的一部分，或者可以埋在基板内。因此，如果DOE埋在表面下方，则光瞳中继150或160的光输入表面和光输出表面分别是一个DOE或者是直接在DOE上的基板表面的一部分。可以假设光瞳中继中的每个DOE基本上与基板的平行于光瞳中继的长轴的表面中的至少一个共面(即，每个DOE平行于这一表面并且在这一表面的1微米的深度内)。

在一些实施例中，DOE可以与波导光瞳中继中的一个或多个切面端结合使用。因此，图10和11的实施例的各方面可以与图9A、9B和9C的实施例的方面组合。例如，一个或多个DOE可被形成在图9A、9B和9C的实施例的切面端中的输入表面和/或输出表面中或附近。

作为另一示例，并且如图12和13所示，一个或多个DOE(例如，衍射光栅)可以被放置在沿着波导的中间点处，以将特定的一个或多个波长的光耦合输出，例如以提供第三级光瞳。沿波导放置的一个或多个这样的DOE可以按特定角度耦合输出单个或多个颜色。图12示出了类似于图9A中的切面端实施例，但进一步包括被定位在沿基板133的长度的中间的DOE 172，用于耦合输出特定的一种或多种颜色的光。图13示出了类似于图10中的波导光瞳中继180，但进一步包括被定位在沿基板的长度的中间的DOE 176，用于耦合输出特定的一种或多种颜色的光。可对图11的实施例作类似的修改。

某些实施例的示例

本文中介绍的技术的某些实施例被概括在以下被编号的示例中：

1.一种光波导，包括：透光基板，所述透光基板包括多个内反射表面，以使多种不同颜色的光线能够通过全内反射传播通过所述基板；输入表面，用于通过所述光波导的入射光瞳输入所述多种不同颜色的光线；以及输出表面，用于通过所述光波导的出射光瞳从基板输出所述多种不同颜色的光线，所述光波导具有如下光学属性：使得所述入射光瞳和所述出射光瞳具有基本相同的尺寸和形状，并且使得所述输入光线和所述输出光线具有基本相同的色彩属性。

2.如示例1所述的光波导，其特征在于，所述基板是刚性的。

3.如示例1或示例2所述的光波导，其特征在于，所述光波导具有使得所述光波导适合使用在近眼显示设备中的物理尺寸。

4.如示例1到3中的任意一项所述的光波导，其特征在于，所述光波导具有使得所述多种不同颜色的光线共线地传播通过所述波导基板的光学特性。

5.如示例1到4中的任意一项所述的光波导，其特征在于，所述光波导具有使得所述多种不同颜色中的至少一些颜色的光线非共线地传播通过所述波导基板的光学特性。

6.如示例1到5中的任意一项所述的光波导，其特征在于，所述多种不同颜色包括主色彩模型的至少三种颜色。

7.如示例1到6中的任意一项所述的光波导，其特征在于，所述输入表面或所述输出表面中的至少一个相对于所述多个内反射表面以倾斜角度定向。

8.如示例1到7中的任意一项所述的光波导，其特征在于，所述输入表面相对于所述多个内反射表面以倾斜角度定向。

9.如示例1到8中的任意一项所述的光波导，其特征在于，所述输入表面和所述输出表面中的每一个相对于所述多个内反射表面以倾斜角度定向。

10.如示例1到9中的任意一项所述的光波导，其特征在于，所述光波导包括耦合到所述基板的输入端的第一楔形棱镜，并且其中所述输入表面是所述第一楔形棱镜的第一表面。

11.如示例1到10中的任意一项所述的光波导，其特征在于：所述输入表面相对于所述多个内反射表面以第一倾斜角定向；以及所述第一楔形棱镜具有相对于所述多个内反射表面以第二倾斜角定向的第二表面，其中所述第二倾斜角不同于所述第一倾斜角。

12.如示例1到11中的任意一项所述的光波导，其特征在于，所述光波导包括耦合到所述基板的输出端的第二楔形棱镜，并且其中所述输出表面是所述第二楔形棱镜的第一表面。

13.如示例1到12中的任意一项所述的光波导，其特征在于，所述基板包括多个内反射表面，以使所述多种颜色的光通过全内反射传播通过所述基板，并且其中所述输入表面和所述输出表面各自与所述多个内反射表面中的至少一个内反射表面基本共面。

14.如示例1到13中的任意一项所述的光波导，其特征在于，包括衍射元件，所述衍射元件是所述基板的一部分并且位于所述输入表面上或附近，以使所述多种不同颜色的光线共线地传播通过所述基板。

15.如示例1到14中的任意一项所述的光波导，其特征在于，包括衍射元件，所述衍射元件是所述基板的一部分并且位于所述输出表面上或附近，以使所述多种不同颜色的光线共线地耦合离开所述光波导。

16.如示例1到15中的任一项所述的光波导，其特征在于，包括衍射元件，所述衍射元件是所述基板的一部分并且位于所述基板的在所述输入表面和所述输出表面之间的表面上或附近，所述衍射元件被配置为使得所述多种不同颜色中的至少一种颜色的光线在所述基板上的在所述输入表面和所述输出表面之间的中间位置处耦合离开所述光波导。

17.如示例1到16中的任一项所述的光波导，其特征在于，包括多个衍射元件，所述多个衍射元件是所述基板的一部分并且位于所述输入表面或所述输出表面上或附近，每个所述衍射光栅被配置为透射不同颜色的光。

18.如示例1到17中的任一项所述的光波导，其特征在于，所述多个衍射元件中的至少一个包括多个堆叠的衍射元件。

19.一种光瞳中继，包括：刚性的透光波导，所述波导能够传送多种不同颜色的光线；以及用于传播多种不同颜色的光线通过所述波导的装置，使得所述光瞳中继的出射光瞳具有与所述光瞳中继的入射光瞳基本相同的尺寸和形状，并且使得输入到所述入射光瞳的光线和通过所述出射光瞳输出的光线具有基本相同的色彩属性。

20.一种近眼显示设备，包括：光源；被光学地耦合以从所述光源接收光的微显示成像器；第一波导，具有光输入端口和光输出端口，所述光输出端口被设置成将光输出到所述近眼显示设备的用户的光接收器；以及第二波导，所述第二波导被光学地耦合以将来自所述微显示成像器的光传送到所述第一波导的输入端口，所述第二波导包括透光基板，所述透光基板包括多个内反射表面，以使多种不同颜色的光线通过全内反射传播通过所述基板；输入表面，用于通过所述第二波导的入射光瞳输入所述多种不同颜色的光线；以及输出表面，用于通过所述光波导的出射光瞳从基板输出所述多种不同颜色的光线，所述第二波导具有如下光学特性：所述光学特性使得所述入射光瞳和所述出射光瞳具有基本相同的尺寸和形状，并且使得所述输入光线和所述输出光线具有基本相同的色彩属性。

如本领域普通技术人员显而易见的，以上描述的特征和功能中的任意或全部可彼此组合，除了被以其它方式在上文中言明或者任何这样的实施例可能因为其功能或结构而不兼容。除了与物理可能性相违背，设想了(i)本文描述的方法/步骤可以任意顺序和/或以任意组合来执行，并且(ii)各个实施例的组件可以任意方式组合。

尽管已用结构特征和/或动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。相反，上述特定特征和动作是作为实现权利要求书的示例而公开的，并且其他等价特征和动作旨在处于权利要求书的范围内。